»KaSiLi«: Neue Dünnschicht-Elektroden aus Silizium und Lithium

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Kompetenzclusters für Batteriematerialien »ExcellBattMat«1 steuert das Dresdner »ExcellBattMat-Zentrum« (Projekt KaSiLi: Strukturmechanische Kathodenadaption für Silizium- und Lithiumwerkstoffe) Schlüsselkomponenten für diese neue Batterie-Generation bei. Die Forscher von Fraunhofer, TU-Dresden und Leibniz arbeiten seit dem 1. November 2019 gemeinsam an innovativen Batterie-Elektroden, die aus hauchdünnen Silizium- oder Lithiumschichten bestehen, um hohe Energiedichten zu erreichen.

Elektrofahrzeuge sollen mit einer Batterieladung bis zu 700 Kilometer weit fahren, Smartphones deutlich seltener aufgeladen werden. Dafür soll »KaSiLi« stehen, das von Dresden aus unter der Federführung des Fraunhofer Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Verbund drei Jahre lang an neuen Elektroden-Technologien forschen soll. »Dadurch bahnt sich ein Quantensprung für die Batterietechnik an«, hofft Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS und Direktor des Instituts für Werkstoffwissenschaft der Technischen Universität Dresden.

Um dies zu erreichen, entwickeln die Dresdner neue Materialien, Designprinzipien und Verarbeitungstechnologien für die Elektroden in den kleinsten Energiespeicher-Einheiten eines Akkumulators, die heute meist als Batteriezellen bezeichnet werden. Wichtige Bauteile in solch einer Zelle sind Anode und Kathode. Zwischen diesen beiden Polen wandern die elektrischen Ladungsträger hin und her, wenn eine Batterie geladen wird oder wenn sie gerade Strom für den Elektromotor in einem E-Auto liefert. Heute besteht die Anode in einer Lithium-Ionen-Batterie meist aus einem wenige Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünnen Kupfer-Stromleiter, der mit einer etwa 100 Mikrometer dicken Grafitschicht bedeckt ist.

Diese Graphit-Schicht wollen die Dresdner Chemiker durch weit dünnere Schichten aus Silizium oder Lithium ersetzen. Diese sollen dann nur noch rund zehn bis 20 bis 30 Mikrometer messen. Im Labor funktioniert das auch schon recht gut und sorgt bereits für mehr Energiespeicher-Vermögen. »Heutige Lithium-Ionen-Akkus kommen auf eine Energiedichte von etwa 240 Wattstunden pro Kilogramm bzw. bis 670 Wattstunden pro Liter«, erklärt Stefan Kaskel. »Mit unseren Elektroden wollen wir auf deutlich über 1 000 Wattstunden pro Liter kommen«.
Auf dem Weg dahin müssen die Entwickler allerdings nicht nur die Chemie und die Beschichtungsprozesse für ihre Zellen weiter verbessern, sondern auch ein mechanisches Problem lösen: Unter dem Mikroskop hat sich gezeigt, dass die mit Silizium oder Lithium dünn beschichteten Elektroden immer wieder schrumpfen und sich ausdehnen, wenn die Batterien aufgeladen oder entladen werden – als ob die Zelle atmen würde. Dies ist allerdings ein Problem, da die mechanische Belastung die Elektroden durch diese »Atmung« rasch zerstören kann. Daher experimentieren die Kooperationspartner nun auch mit winzig kleinen Federn. Dafür arbeiten sie an speziellen Schichten für die Kathode: »Durch eine spezielle Anpassung ihrer mikroskopischen Eigenschaften soll diese abfedernde Eigenschaften erhalten und damit ebenfalls wesentlich zu einer höheren Energiedichte der neuen Batteriegeneration beitragen«, so Dr. Kristian Nikolowski vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologen und Systeme IKTS.

Bis zum Jahr 2022 wollen die KaSiLi-Partner funktionsfähige Demonstratoren fertig haben. Danach fließt das neue Batterie-Design in eine »Forschungsfertigung Batteriezelle« in Münster ein.